新工科背景下的建筑虛擬仿真實驗室建設＊

易 菁，婁永忠，董 璞

（惠州學院建筑與土木工程系，廣東 惠州516007）

1 引言

隨著中國新一輪的科技革命與產(chǎn)業(yè)改革，新興產(chǎn)業(yè)得到了蓬勃發(fā)展。為順應這一趨勢并提供有力支撐，高等教育也面臨著新的需求及建立新的發(fā)展目標。習近平總書記指出“我們對高等教育的需要比以往任何時候都更加迫切，對科學知識和卓越人才的渴求比以往任何時候都更加強烈”[1]。在此背景下，2017-02-18，教育部在復旦大學召開了高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會，探討了新工科的內(nèi)涵特征、新工科建設與發(fā)展的路徑選擇，并達成共識。其中，談到新工科建設需要加強研究和實踐[2]，這對于工科類學院在日常教育教學中的手段和方法提出了更高的要求。

2 教學實踐中的實驗室模式

作為省實驗教學示范中心，惠州學院建筑工程虛擬仿真實驗教學中心結(jié)合學校建設高水平新工科專業(yè)群的發(fā)展規(guī)劃，不斷完善專業(yè)實踐教學平臺建設，創(chuàng)新實踐教學。至2018 年底，中心已建立有計算機輔助設計（CAD）實驗室、建筑信息模型（BIM）實驗室以滿足建筑學、土木工程、工程管理等專業(yè)開展基礎(chǔ)性實驗項目和創(chuàng)新性實現(xiàn)項目。于此同時，隨著虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展和不斷普及，其在建筑與土木工程領(lǐng)域發(fā)揮的作用也越發(fā)重要。可以看到，無論是建筑設計、結(jié)構(gòu)設計還是裝飾裝修等行業(yè)，VR 技術(shù)都得到了充分的運用，體驗感和參與感大大提升。本著“虛實結(jié)合，相互補充”的思路，以推進虛擬仿真技術(shù)在教學實踐中的應用，實驗教學中心將建立建筑虛擬仿真實驗室作為年度重要工作目標。該實驗室的創(chuàng)建目的，是能結(jié)合BIM 技術(shù)，通過虛擬仿真模擬實際場景，讓學生在動態(tài)情境下進行學習和實踐。利用網(wǎng)絡平臺的軟件進行虛擬仿真設計，既節(jié)約了財力物力，又可以打破時間區(qū)域的限制，完成各種各樣的實驗項目[3]。

對于該實驗室的建立，具體構(gòu)建其主要可承擔的作用為可以承擔建筑學、土木工程、工程管理等專業(yè)的建筑設計、計算機輔助設計、計算輔助建筑表現(xiàn)、建筑結(jié)構(gòu)設計等試驗教學工作，并可以開展相關(guān)的實驗項目，比如建筑數(shù)字化建造模擬、計算機輔助建筑表現(xiàn)、計算機輔助建筑設計、畢業(yè)設計、課程設計、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目。建筑虛擬仿真實驗室在教學中心的布局及其作用如圖1 所示。

3 建筑虛擬仿真實驗室建設

在以上模型的構(gòu)建下，學院歷經(jīng)半年時間建設完成基于VR 的BIMVR 虛擬實訓室，將BIM+VR 的組合引入高校教學課堂，最終形成一個虛擬仿真體驗+師生智能交互的實驗室模式，實驗室模型如圖2 所示。

3.1 搭建虛擬仿真終端平臺

硬件設備方面，虛擬仿真顯示終端采用小間距LED 三維成像立體屏，屏幕面積達到11.52 m2。顯示效果滿足畫質(zhì)高清、高分辨率、低亮高灰、響應速度等方面的要求，支持無限拼接以及零拼縫可以使大屏效果達到最佳。體驗設備則使用VR3K 頭顯設備和3D 眼鏡。VR 頭顯示終端設備可以進行沉浸式直觀體驗，能方便地應用于各種虛擬場景展示，除了全景視頻，甚至還可以進行一些簡單的交互操作，能很大程度提升學習的實踐效果。在軟件配置方面，搭建虛擬現(xiàn)實設計平臺軟件，該平臺能讓BIM 團隊在短時間制作并管理項目工程，并直接發(fā)布及應用于增強現(xiàn)實（AR）和虛擬現(xiàn)實（VR），可一鍵導入國產(chǎn)BIM 軟件工程文件，快速生成VR，支持標準建模軟件的模型導入，滿足多樣化的教學實踐需求。再結(jié)合BIMVR 軟件，使老師、學生能進行虛擬現(xiàn)實方案沉浸式體驗。通過VR 沉浸式的體驗進行方案的優(yōu)選、講解和教學內(nèi)容，使老師和學生身臨其境理解專業(yè)課程中配色、布局、設計等不同的專業(yè)內(nèi)容給人的整體感觀效果，更加直觀地掌握課程教學內(nèi)容。

3.2 創(chuàng)建智能交互教學模式

考慮到設備體驗的最佳狀況，在該實驗室開展小班教學。將學生分為4 個學習小組，每組控制在5 人左右。通過小組的方式，讓學生開展學習交流和完成課題等操作，這樣更能做到專而精。為了便于教師評圖，引進了雙屏教學智能一體機，支持觸屏模式，使教學開展更流暢。在師生機上，還配置了智慧教學軟件，來開展課程管理。其功能支持屏幕轉(zhuǎn)播與反控，可將任意一小組的屏幕內(nèi)容轉(zhuǎn)播到其他小組屏幕。

在轉(zhuǎn)播狀態(tài)下，老師可授權(quán)某接受轉(zhuǎn)播的小組遙控處于轉(zhuǎn)播狀態(tài)下的電腦。

圖1 建筑工程虛擬仿真實驗教學中心布局

圖2 建筑虛擬仿真實驗室模型

教學服務端和小組端的軟件都支持無線投屏，每個投屏內(nèi)容都以非獨占的方式顯示。通過該軟件提供社交化的溝通環(huán)境，支持APP 端教學，可實現(xiàn)線上線下管理，滿足各種靈活的課堂教學活動需求。最終建立完成的實驗室實景如圖3 所示。

圖3 建筑虛擬仿真實驗室實景

3.3 實驗室智能化管理

傳統(tǒng)實驗室管理模式中，實驗室的運行在時間和空間上都存在局限性。為了貼近日益靈活的實踐教學需求，在建筑虛擬仿真實驗室采用智能化管理。一方面，啟用新的智能門禁系統(tǒng)，可通過外網(wǎng)PC 或手機端對門禁進行遠程操作，結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)，讓實驗室的使用時間變得更加靈活方便；另一方面，采用遠程連接控制軟件，使實驗室電腦突破地域控制，師生在宿舍或校外能通過遠程連接輕松實現(xiàn)對文件、網(wǎng)絡及程序的實時支持或訪問。智能化的管理方式提高了實驗室的利用率和資源共享程度，讓實驗室平臺在教學活動中產(chǎn)生的作用得到更大提升。

3.4 實驗室教學成果

建筑虛擬仿真實驗室的建設是基礎(chǔ)教育、工程教育和實踐教學主動適應建筑土木領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展和學校培養(yǎng)特殊人才需求的重要舉措[4]，該實驗室自開放以來，得到師生各界的肯定和積極參與使用，至今已開課5 次，累計300 余名學生開展了VR 技術(shù)實踐，并完成相關(guān)課程設計，如圖4 所示。課程的部分成果由學院整合后獲2019 年廣東省教育教學成果二等獎。

圖4 實驗室課程實踐活動

在學科競賽和創(chuàng)新項目方面，面向建筑學、土木工程、工程管理、風景園林4 個專業(yè)的學生開展實驗訓練。實驗室建成至今，已有20 批次以上的競賽活動實訓在此開展，超150 名以上學生參與，并最終斬獲國家級和省級的各類獎項，部分項目成果如表1 所示。

4 總結(jié)

在新工科背景下，結(jié)合實際提升教學研究和實踐水平，是實驗室建設發(fā)展的重要目標。以建筑工程虛擬仿真實驗中心等科研教學平臺為依托，結(jié)合多方面需求及論證，完善專業(yè)實踐教學平臺建設。后續(xù)還將繼續(xù)根據(jù)教學活動的開展，不斷改進和完善實驗室建設，以新工科思路引領(lǐng)下的惠州學院轉(zhuǎn)型發(fā)展和大力發(fā)展理工科專業(yè)為契機，努力培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和較強應用能力的高素質(zhì)應用型技術(shù)人才。